(57)【要約】【課題】  運転制御要求及び燃料電池の内部状態に対し、安全で、且つ安定した運転制御を行うことができる燃料電池システム及び電子機器を提供する。【解決手段】  燃料電池本体１に対する運転制御要求と状態判定部により得られる燃料電池本体１、補助電源４、ポンプ１０４の状態など、つまりシステムの内部状態により、燃料電池本体１の各運転制御状態を自動的に判断するとともに、これらの運転制御状態に基づいて、燃料電池本体１の運転制御を状態遷移させる。【選択図】      図１
2010165601.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料供給により電力を発電する燃料電池発電部を有する燃料電池本体と、
前記燃料電池本体の発電出力により充電されるとともに、電子機器本体の電源として用いられる補助電源と、
前記燃料電池発電部に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記燃料電池本体、補助電源及び燃料供給手段の状態を判定する状態判定手段と、
前記燃料電池本体に対する運転制御要求と前記状態判定手段の状態判定の結果により前記燃料電池本体の運転制御状態を判断するとともに、該判定された運転制御状態に基づいて前記燃料電池本体の運転制御状態を遷移させる制御手段と
を具備したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記状態判定手段は、予め設定された所定時間ごとに前記燃料電池本体、補助電源及び燃料供給手段の状態を判定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記燃料電池本体の出力を必要としない状態では、前記燃料供給手段による前記燃料電池発電部への燃料供給を停止する運転制御状態に遷移させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池本体、補助電源及び燃料供給手段のそれぞれの状態を各別に検出する検出手段を有し、
前記状態判定手段は、前記検出手段の状態をも判定可能とし、
前記制御手段は、運転制御要求が前記燃料電池本体の起動要求である場合、前記状態判定手段により前記検出手段の少なくとも一つに異常があると判定されると、前記燃料電池本体の運転制御状態を異常停止処理状態に遷移させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記状態判定手段は、前記燃料電池本体の電圧、電流及び温度の状態を判定可能とし、
前記制御手段は、前記燃料電池本体の運転制御状態が起動状態にある場合、前記状態判定手段で判定される前記燃料電池本体の電圧、電流、温度の立ち上げ過程の状態で、既に所定条件を満足する状態が存在すると、この状態に対応する過程を省略して定常運転に遷移させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段は、前記燃料電池本体の運転制御状態が起動又は定常運転である場合、前記状態判定手段の判定で、前記燃料電池本体、補助電源及び燃料供給手段のそれぞれの状態の少なくとも一つに異常が判定されると、前記燃料電池本体の運転制御状態を異常停止処理状態に遷移させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記燃料電池本体の運転制御状態が運転状態から停止状態への遷移の過程で、前記補助電源の出力が所定値以上の場合、前記燃料供給手段による前記燃料電池発電部への燃料供給を停止し、前記前記燃料電池本体の出力が所定値以下まで低下した時点で停止状態に遷移させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御手段は、前記燃料電池本体の運転制御状態を異常停止処理状態に遷移する場合、前記燃料供給手段による前記燃料電池発電部への燃料供給を停止するとともに、異常の旨を報知可能にしたことを特徴とする請求項４又は６記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御手段は、前記燃料電池本体の運転制御状態が起動又は定常運転で前記補助電源の出力が所定値以上の場合、前記補助電源の出力が所定値以下まで低下した時点で再起動状態に遷移可能にしたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御部は、前記燃料電池本体に対する運転制御要求を起動操作手段の操作出力又は通信回線を介して入力より与えられることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか一記載の燃料電池システムを電源として使用した電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びこの燃料電池システムを電源として用いた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話機や携帯情報端末などの電子機器の小型化は目覚しいものがあり、これら電子機器の小型化とともに、電源として燃料電池を使用することが試みられている。燃料電池は、燃料と空気を供給するのみで、発電することができ、燃料のみを交換すれば連続して発電できるという利点を有するため、小型化が実現できれば、小型の電子機器の電源として極めて有効である。
【０００３】
そこで、最近、燃料電池として、直接メタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣ；Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌと称する。）が注目されている。かかるＤＭＦＣは、液体燃料の供給方式によって分類され、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式のものと、燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式のものがあり、これらのうち、パッシブ方式のものはＤＭＦＣの小型化に対して特に有利である。
【０００４】
従来、このようなパッシブ方式のＤＭＦＣとして、特許文献１に開示されるように、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体（燃料電池セル）を、樹脂製の箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造のものが考えられている。
【０００５】
また、ＤＭＦＣの燃料電池セルと燃料収容部とを流路を介して接続する構成のものも特許文献２〜４に開示されている。これら特許文献２〜４は、燃料収容部から供給された液体燃料を燃料電池セルに流路を介して供給することによって、流路の形状や径等に基づいて液体燃料の供給量を調整可能としたもので、特に、特許文献３では燃料収容部から流路にポンプで液体燃料を供給している。また、ポンプに代えて、流路に電気浸透流を形成する電界形成手段を用いることも記載されている。さらに特許文献４には電気浸透流ポンプを用いて液体燃料等を供給することが記載されている。
【特許文献１】国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット
【特許文献２】特表２００５−５１８６４６号公報
【特許文献３】特開２００６−０８５９５２号公報
【特許文献４】米国特許公開第２００６／００２９８５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、このような小型の電子機器に用いられる燃料電池システムでは、安全で、かつ安定して運転制御されるのが望ましい。ところが、これまでの燃料電池システムでは、起動から定常運転までの全ての運転制御状態を把握して制御するようなものはなく、このため次のような問題を生ずることがある。例えば、負荷を使用しておらずＤＭＦＣの運転を全く必要としない状態でＤＭＦＣが起動されることがあると、ＤＭＦＣでの発電電力が消費されない状態で運転が行われ、無駄な燃料消費を招くことがある。また、燃料電池システムの起動要求があった場合、仮に、システムを構成する各種の構成要素に異常が存在する状態のままで起動すると、起動後にＤＭＦＣの発電が急に停止したり、ＤＭＦＣが異常な過熱状態になることがある。さらに、燃料電池システムの運転中でもＤＭＦＣの出力の急激な低下、周囲温度の異常、あるいは燃料供給用のポンプ（補器）の動作などに異常が発生すると、この場合もＤＭＦＣが異常な過熱状態となり、これらが原因でＤＭＦＣを破損してしまうこともある。さらに運転停止指示によりＤＭＦＣの運転を停止し、同時に負荷を切り離して無負荷状態にすることがあると、ＤＭＦＣを構成するセル中の残留燃料によるクロスオーバによりＤＭＦＣのカソードが異常に発熱し、ＤＭＦＣを破損することもある。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、運転制御要求及び燃料電池の内部状態に対して安全で、且つ安定した運転制御を行うことができる燃料電池システム及び電子機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１記載の発明は、燃料供給により電力を発電する燃料電池発電部を有する燃料電池本体と、前記燃料電池本体の発電出力により充電されるとともに、電子機器本体の電源として用いられる補助電源と、前記燃料電池発電部に燃料を供給する燃料供給手段と、前記燃料電池本体、補助電源及び燃料供給手段の状態を判定する状態判定手段と、前記燃料電池本体に対する運転制御要求と前記状態判定手段の状態判定の結果により前記燃料電池本体の運転制御状態を判断するとともに、該判定された運転制御状態に基づいて前記燃料電池本体の運転制御状態を遷移させる制御手段とを具備したことを特徴としている。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記状態判定手段は、予め設定された所定時間ごとに前記燃料電池本体、補助電源及び燃料供給手段の状態を判定することを特徴としている。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記制御手段は、前記燃料電池本体の出力を必要としない状態では、前記燃料供給手段による前記燃料電池発電部への燃料供給を停止する運転制御状態に遷移させることを特徴としている。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記燃料電池本体、補助電源及び燃料供給手段のそれぞれの状態を各別に検出する検出手段を有し、前記状態判定手段は、前記検出手段の状態をも判定可能とし、前記制御手段は、運転制御要求が前記燃料電池本体の起動要求である場合、前記状態判定手段により前記検出手段の少なくとも一つに異常があると判定されると、前記燃料電池本体の運転制御状態を異常停止処理状態に遷移させることを特徴としている。
【００１２】
請求項５記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記状態判定手段は、前記燃料電池本体の電圧、電流及び温度の状態を判定可能とし、前記制御手段は、前記燃料電池本体の運転制御状態が起動状態にある場合、前記状態判定手段で判定される前記燃料電池本体の電圧、電流、温度の立ち上げ過程の状態で、既に所定条件を満足する状態が存在すると、この状態に対応する過程を省略して定常運転に遷移させることを特徴としている。
【００１３】
請求項６記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記制御手段は、前記燃料電池本体の運転制御状態が起動又は定常運転である場合、前記状態判定手段の判定で、前記燃料電池本体、補助電源及び燃料供給手段のそれぞれの状態の少なくとも一つに異常が判定されると、前記燃料電池本体の運転制御状態を異常停止処理状態に遷移させることを特徴としている。
【００１４】
請求項７記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記制御手段は、前記燃料電池本体の運転制御状態が運転状態から停止状態への遷移の過程で、前記補助電源の出力が所定値以上の場合、前記燃料供給手段による前記燃料電池発電部への燃料供給を停止し、前記前記燃料電池本体の出力が所定値以下まで低下した時点で停止状態に遷移させることを特徴としている。
【００１５】
請求項８記載の発明は、請求項４又は６記載の発明において、前記制御手段は、前記燃料電池本体の運転制御状態を異常停止処理状態に遷移する場合、前記燃料供給手段による前記燃料電池発電部への燃料供給を停止するとともに、異常の旨を報知可能にしたことを特徴としている。
【００１６】
請求項９記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記制御手段は、前記燃料電池本体の運転制御状態が起動又は定常運転で前記補助電源の出力が所定値以上の場合、前記補助電源の出力が所定値以下まで低下した時点で再起動状態に遷移可能にしたことを特徴としている。
【００１７】
請求項１０記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記制御部は、前記燃料電池本体に対する運転制御要求を起動操作手段の操作出力又は通信回線を介して入力より与えられることを特徴としている。
【００１８】
請求項１１記載の発明は、請求項１乃至１０のいずれか一記載の燃料電池システムを電源として使用した電子機器である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、運転制御要求及び燃料電池の内部状態に対して安全で、且つ安定した運転制御を行うことができる燃料電池システム及び電子機器を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。
【００２１】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成を示している。
【００２２】
図１において、１は燃料電池本体（ＤＭＦＣ）で、この燃料電池本体１は、起電部を構成する燃料電池発電部（セル）１０１、液体燃料を収容する燃料収容部１０２、燃料収容部１０２と燃料電池発電部（セル）１０１を接続する流路１０３及び燃料収容部１０２から燃料電池発電部（セル）１０１に液体燃料を移送するための補器として燃料供給手段のポンプ１０４を有している。
【００２３】
図２は、このような燃料電池本体１をさらに詳細に説明するための断面図である。
【００２４】
この場合、燃料電池発電部１０１は、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とを有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とを有するカソード（空気極／酸化剤極）１６と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１７とから構成される膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を有している。
【００２５】
ここで、アノード触媒層１１やカソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層１１にはメタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。カソード触媒層１４にはＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。ただし、触媒はこれらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。
【００２６】
電解質膜１７を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜１７はこれらに限られるものではない。
【００２７】
アノード触媒層１１に積層されるアノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層１１の集電体も兼ねている。カソード触媒層１４に積層されるカソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１４に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層１４の集電体も兼ねている。アノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１５は多孔質基材で構成されている。
【００２８】
アノードガス拡散層１２やカソードガス拡散層１５には、必要に応じて導電層が積層される。これら導電層としては、例えばＡｕ、Ｎｉのような導電性金属材料からなる多孔質層（例えば、メッシュ）、多孔質膜、箔体あるいはステンレス鋼（ＳＵＳ）などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材等が用いられる。電解質膜１７と後述する燃料分配機構１０５およびカバープレート１８との間には、それぞれゴム製のＯリング１９が介在されており、これらによって燃料電池発電部１０１からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。
【００２９】
カバープレート１８は酸化剤である空気を取入れるための不図示の開口を有している。カバープレート１８とカソード１６との間には、必要に応じて保湿層や表面層が配置される。保湿層はカソード触媒層１４で生成された水の一部が含浸されて、水の蒸散を抑制すると共に、カソード触媒層１４への空気の均一拡散を促進するものである。表面層は空気の取入れ量を調整するものであり、空気の取入れ量に応じて個数や大きさ等が調整された複数の空気導入口を有している。
【００３０】
燃料電池発電部１０１のアノード（燃料極）１３側には、燃料分配機構１０５が配置されている。燃料分配機構１０５には配管のような液体燃料の流路１０３を介して燃料収容部１０２が接続されている。
【００３１】
燃料収容部１０２には、燃料電池発電部１０１に対応した液体燃料が収容されている。液体燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料は必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料は、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部１０２には燃料電池発電部１０１に応じた液体燃料が収容される。
【００３２】
燃料分配機構１０５には燃料収容部１０２から流路１０３を介して燃料が導入される。流路１０３は燃料分配機構１０５や燃料収容部１０２と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料分配機構１０５と燃料収容部１０２とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ燃料の流路であってもよい。燃料分配機構１０５は流路１０３を介して燃料収容部１０２と接続されていればよい。
【００３３】
ここで、燃料分配機構１０５は図３に示すように、燃料が流路１０３を介して流入する少なくとも１個の燃料注入口２１と、燃料やその気化成分を排出する複数個の燃料排出口２２とを有する燃料分配板２３を備えている。燃料分配板２３の内部には図２に示すように、燃料注入口２１から導かれた燃料の通路となる空隙部２４が設けられている。複数の燃料排出口２２は燃料通路として機能する空隙部２４にそれぞれ直接接続されている。
【００３４】
燃料注入口２１から燃料分配機構１０５に導入された燃料は空隙部２４に入り、この燃料通路として機能する空隙部２４を介して複数の燃料排出口２２にそれぞれ導かれる。複数の燃料排出口２２には、例えば燃料の気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない気液分離体（図示せず）を配置してもよい。これによって、燃料電池発電部１０１のアノード（燃料極）１３には燃料の気化成分が供給される。なお、気液分離体は燃料分配機構１０５とアノード１３との間に気液分離膜等として設置してもよい。燃料の気化成分は複数の燃料排出口２２からアノード１３の複数個所に向けて排出される。
【００３５】
燃料排出口２２は燃料電池発電部１０１の全体に燃料を供給することが可能なように、燃料分配板２３のアノード１３と接する面に複数設けられている。燃料排出口２２の個数は２個以上であればよいが、燃料電池発電部１０１の面内における燃料供給量を均一化する上で、０．１〜１０個／ｃｍ2の燃料排出口２２が存在するように形成することが好ましい。
【００３６】
燃料分配機構１０５と燃料収容部１０２の間を接続する流路１０３には、ポンプ１０４が挿入されている。このポンプ１０４は燃料を循環される循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部１０２から燃料分配機構１０５に燃料を移送する燃料供給ポンプである。このようなポンプ１０４で必要時に燃料を送液することによって、燃料供給量の制御性を高めるものである。この場合、ポンプ１０４としては、少量の燃料を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリーベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。ロータリーベーンポンプはモータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。
【００３７】
ポンプ１０４には、第１の検出手段としてポンプ異常検出部１０４１が設けられている。このポンプ異常検出部１０４１は、動作不良などポンプ動作の異常を検出するもので、ポンプ異常を検出すると検出信号を制御部７に出力する。また、ポンプ１０４には、後述する燃料供給制御回路５が接続され、ポンプ１０４の駆動が制御される。
【００３８】
このような構成において、燃料収容部１０２に収容された燃料は、ポンプ１０４により流路１０３を移送され、燃料分配機構１０５に供給される。そして、燃料分配機構１０５から放出された燃料は、燃料電池発電部１０１のアノード（燃料極）１３に供給される。燃料電池発電部１０１内において、燃料はアノードガス拡散層１２を拡散してアノード触媒層１１に供給される。燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１で下記の(1)式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水をメタノールと反応させて(1)式の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
【００３９】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-  …(1)
この反応で生成した電子（ｅ-）は集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる出力として負荷側に供給された後、カソード（空気極）１６に導かれる。また、(1)式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ+）は電解質膜１７を経てカソード１６に導かれる。カソード１６には酸化剤として空気が供給される。カソード１６に到達した電子（ｅ-）とプロトン（Ｈ+）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と下記の(2)式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成される。
【００４０】
６ｅ-＋６Ｈ+＋（３／２）Ｏ2  →  ３Ｈ2Ｏ  …(2)
図１に戻って、このように構成された燃料電池本体１は、燃料電池発電部（セル）１０１に第２の検出手段として温度センサ１０６が設けられている。この温度センサ１０６は、燃料電池発電部（セル）１０１の発熱部の温度を検出するもので、例えば、サーミスタや熱電対からなり、図２に示す燃料電池発電部（セル）１０１のカソード(空気極)１６に配置されている。また、温度センサ１０６は、発熱温度に対応する検出信号を制御部７に出力する。制御部７については、後述する。
【００４１】
燃料電池本体１には、出力検出部６及び出力調整手段としてＤＣ−ＤＣコンバータ（電圧調整回路）２が接続されている。出力検出部６は、燃料電池発電部（セル）１０１の出力として出力電圧と出力電流を検出し、これら出力電圧と出力電流に対応する検出信号を制御部７に出力する。
【００４２】
ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、不図示のスイッチング要素とエネルギー蓄積要素を有し、これらスイッチング要素とエネルギー蓄積要素により燃料電池本体１で発電された電気エネルギーを蓄積／放出させ、燃料電池本体１からの比較的低い出力電圧を十分の電圧まで昇圧して生成される出力を発生する。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、制御部７の指示により出力（出力電圧）を任意に調整できるようになっている。このＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力は、補助電源４に供給される。
【００４３】
なお、ここでは標準的な昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータ２を示したが、昇圧動作が可能なものならば、他の回路方式のものでも実施可能である。
【００４４】
ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力端には、補助電源４が接続され、所謂ハイブリッド型燃料電池を構成している。この補助電源４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力により充電可能としたもので、電子機器本体３の瞬間的な負荷変動に対して電流を供給し、また、燃料枯渇状態になって前記燃料電池本体１が発電不能に陥った場合に電子機器本体３の駆動電源として用いられる。この補助電源４には、充放電可能な蓄電素子(例えばリチウムイオン二次電池（ＬＩＢ）)や電気二重層コンデンサ）が用いられる。
【００４５】
補助電源４には、第３の検出手段としての補助電源出力検出部８及び燃料供給制御回路５が接続されている。補助電源出力検出部８は、補助電源４の出力として、例えば出力電圧を検出し、この出力電圧に対応する検出信号を制御部７に出力する。燃料供給制御回路５は、補助電源４を電源としてポンプ１０４のオンオフ動作を制御するもので、制御部７の指示に基づいてポンプ１０４による燃料供給時間及び燃料供給量などを制御する。
【００４６】
燃料供給制御回路５には、制御部７が接続されている。制御部７は、システム全体を制御するもので、状態監視部７０１、状態判定部７０２、ポンプ制御信号発生部７０３、報知制御部７０４を有している。状態監視部７０１は、所定の時間間隔、例えば１秒ごとに出力検出部６で検出される燃料電池本体１の出力電圧及び出力電流、補助電源出力検出部８で検出される補助電源４の出力電圧及び温度センサ１０６の検出出力、ポンプ異常検出部１０４１の異常検出信号の有無を監視する。状態判定部７０２は、燃料電池システムの各運転制御状態、例えば、図４に示す停止状態Ａ、起動条件確認状態Ｂ、起動運転状態Ｃ、異常停止処理状態Ｄ、定常運転状態Ｅ、停止運転状態Ｆ、待機状態Ｇの各状態ごとに、状態監視部７０１より監視される燃料電池本体１の出力電圧及び出力電流、補助電源４の出力電圧、温度センサ１０６の検出出力のそれぞれの状態、ポンプ１０４の異常の有無に基づいて、これら燃料電池本体１、補助電源４、温度センサ１０６及びポンプ１０４の状態（異常の有無）を判定する。また、状態判定部７０２は、出力検出部６、補助電源出力検出部８、温度センサ１０６それぞれの状態（異常）を始め、制御部７自身の状態（異常）を判定する機能も有している。ポンプ制御信号発生部７０３は、燃料供給制御回路５に対してポンプ１０４による燃料供給時間及び燃料供給量などの制御指令を出力するとともに、状態判定部７０２での異常判定によりポンプ１０４の動作を強制停止させる。報知制御部７０４は、状態判定部７０２での異常の判定により電子機器本体３に異常報知信号を出力し、例えば、電子機器本体３側に設けられる表示器（例えばＬＥＤ）３０１を点灯制御する。この場合、異常報知信号を不図示の通信回線を介して携帯電話端末に送信して異常を報知するようにしても良い。
【００４７】
制御部７には、ユーザ操作手段として起動スイッチ９が接続されている。この起動スイッチ９は、システムを起動する際に、例えばユーザにより押し操作される。この場合、起動スイッチ９に代えて、制御部７に対して不図示の通信回線よりシステム起動の指示を入力するようにしても良い。
【００４８】
なお、制御部７には、ログメモリ７０５が設けられている。このログメモリ７０５は、異常発生の際に異常解析に役立てる各種データを記憶するもので、さらにポンプ１０４の動作異常や燃料電池発電部１０１の過熱など重大な異常情報を記憶する。この異常情報は、システムの再起動を拒否するのに用いられる。
【００４９】
次に、このように構成された実施の形態の作用を図４に示す状態遷移図に従い説明する。
【００５０】
まず、図４のＡに示す燃料電池本体１の停止状態において、負荷である電子機器本体３が使用されておらず燃料電池本体１の運転を全く必要としない状態では、仮に、燃料電池本体１に対して起動要求があっても、制御部７は、燃料供給制御回路５への給電を停止して燃料電池発電部１０１への燃料供給を禁止し燃料電池発電部１０１の発電電力が無駄に消費されないようにしている。
【００５１】
次に、システムの停止状態Ａから、負荷である電子機器本体３が使用されている状態で、例えばユーザにより起動スイッチ９が押し操作され、システム起動要求が入力されると（又は通信回線を介しての起動要求が入力されると）、図４のＢに示す起動条件確認状態に遷移する。この起動条件確認状態Ｂでは、状態判定部７０２により出力検出部６、補助電源出力検出部８、温度センサ１０６のそれぞれについて現在の状態（異常）を判定する。この場合、出力検出部６、補助電源出力検出部８、温度センサ１０６の状態判定は、例えば、出力検出部６、補助電源出力検出部８、温度センサ１０６のそれぞれの通常出力に対する現在の出力の異常性の有無から判定（診断）する。また、状態判定部７０２は、制御部７自身の異常の有無も判定する。状態判定部７０２で全てについて異常判定がなされない場合は、図４のＣに示す起動運転状態に遷移する。起動運転状態Ｃについては後述する。
【００５２】
一方、状態判定部７０２において、出力検出部６、補助電源出力検出部８、温度センサ１０６及び制御部７のいずれか一つでも異常判定がなされると図４のＤに示す異常停止処理状態に遷移する。異常停止処理状態Ｄでは、報知制御部７０４より電子機器本体３に対して異常報知信号を出力し、表示器（例えばＬＥＤ）３０１を点灯制御する。この場合、表示器３０１は、例えば、０．１秒間点灯、０．１秒間消灯の点滅動作を１０秒間繰り返し、こののち消灯してユーザに異常発生の旨を報知する。また、このときの異常発生の状況はログメモリ７０５に記憶される。そして、図４のＦに示す停止運転状態に遷移する。停止運転状態Ｆでは、報知制御部７０４より再び電子機器本体３に異常報知信号を出力し、表示器３０１を連続点灯させる。そして、起動条件確認状態Ｂの前の状態に戻る。
【００５３】
次に、起動運転状態Ｃでは、まず、制御部７によりログメモリ７０５の内容を確認する。ここで、ログメモリ７０５に重大な異常情報が記憶されていて、これを確認すると、直ちに異常停止処理状態Ｄに遷移する。ここでの重大な異常情報については後述する。一方、重大な異常情報が無ければ、報知制御部７０４より電子機器本体３に対して報知信号を出力し、表示器３０１を、例えば、０．１秒間点灯、２．９秒間消灯の点滅動作を繰り返す。そして、ポンプ制御信号発生部７０３より燃料供給制御回路５にポンプ１０４の動作を指示し、燃料電池発電部１０１へ燃料を開始する。この場合、最初に燃料電池本体１の出力電圧の立ち上げを行う。このとき、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の動作を停止し、補助電源４の充電を禁止している。そして、出力検出部６で検出される出力電圧が所定値に達すると、次の燃料電池本体１の出力電流の立ち上げを行う。この時点でＤＣ−ＤＣコンバータ２を動作させて補助電源４の充電を開始する。その後、出力検出部６で検出される出力電流が所定値に達すると、次の温度立ち上げを行う。この温度立ち上げは、温度センサ１０６の検出出力により燃料電池発電部１０１の温度のピーク値を検出するとともに、このピーク値より僅かに遅らせて燃料供給を行うような動作を繰り返し燃料電池発電部１０１の温度を所定温度（例えば４９℃）まで立ち上げる。そして、この状態で、図４のＥに示す定常運転状態に遷移する。定常運転状態Ｅについては後述する。
【００５４】
なお、かかる起動運転状態Ｃでは、以下の動作も可能になっている。この場合、燃料電池本体１の起動により状態監視部７０１で監視される燃料電池本体１の出力電圧及び出力電流、燃料電池発電部１０１の温度にそれぞれ注目し、起動時点で、例えば、燃料電池本体１の出力電圧が既に所定値に達しているならば、出力電圧の立ち上げ過程を省略して直ちに出力電流の立ち上げを行い、また、燃料電池本体１の出力電圧及び出力電流が既に所定値に達しているならば、これら出力電圧及び出力電流の立ち上げ過程を省略して直ちに温度立ち上げを行い、さらに出力電圧、出力電流及び温度が全て所定値に達しているならば、これら出力電圧、出力電流及び温度の立ち上げ過程を全て省略して直ちに定常運転状態Ｅに遷移する。このような制御は、例えば前回の運転終了から比較的短い時間で再び起動運転を行うような場合に有効であり、燃料電池本体１の起動から定常運転までの所要時間を短縮できる。
【００５５】
起動運転状態Ｃでは、補助電源出力検出部８により検出される補助電源４の出力電圧が所定値以上の満充電状態（例えば４．１Ｖ以上）の場合は、直ちに待機状態Ｇに遷移する。待機状態Ｇについては、後述する。
【００５６】
一方、起動運転状態Ｃで異常を検出すると、異常停止処理状態Ｄに遷移する。この場合、起動運転状態Ｃでの異常は、温度センサ１０６による燃料電池発電部１０１の検出温度が所定値以上（過熱）の状態、ポンプ異常検出部１０４１よりポンプ１０４の動作異常にともない出力される異常検出信号、出力検出部６により検出される燃料電池本体１の出力電圧又は出力電流の異常値、補助電源出力検出部８により検出される補助電源４の出力電圧の異常値（例えば、ＬＩＢの場合、動作電圧で不安定とされている２．３〜３．３Ｖの電圧値）、或いは周囲温度の異常な高温状態又は低温状態（これら周囲温度の異常は電子機器本体３側に設けられる不図示の温度センサなどにより検出することができる。）などである。
【００５７】
異常停止処理状態Ｄでは、ポンプ制御信号発生部７０３より燃料供給制御回路５にポンプ１０４の動作停止を指示し、燃料電池発電部１０１への燃料供給を一切停止する。また、報知制御部７０４より電子機器本体３に対して異常報知信号を出力し、表示器（例えばＬＥＤ）３０１を点灯させる。この場合、表示器３０１は、例えば、０．１秒間点灯、０．１秒間消灯の点滅動作を１０秒間繰り返し、こののち消灯し、ユーザに異常発生の旨を報知する。また、このときの異常発生の状況はログメモリ７０５に記憶する。この場合、特に、燃料電池発電部１０１の過熱とポンプ１０４の動作異常については、重大な異常情報としてログメモリ７０５に記憶する。
【００５８】
そして、停止運転状態Ｆに遷移する。停止運転状態Ｆでは、燃料電池発電部１０１への燃料供給を停止したままで、報知制御部７０４より再度電子機器本体３に異常報知信号を出力し、表示器３０１を連続点灯させたのち、起動条件確認状態Ｂの前の状態に戻る。
【００５９】
次に、定常運転状態Ｅでは、報知制御部７０４より電子機器本体３に対して報知信号を出力し、表示器３０１の表示を、例えば、１秒間点灯、１秒間消灯の点滅動作に変更する。そして、ポンプ制御信号発生部７０３より燃料供給制御回路５に対しポンプ１０４による燃料供給時間及び燃料供給量などの制御指令を発生し、燃料電池本体１の定常運転を行う。
【００６０】
その後、かかる定常運転の状態から、補助電源出力検出部８により検出される補助電源４の出力電圧が所定値以上の満充電の状態になると、停止運転状態Ｆに遷移する。停止運転状態Ｆでは、ポンプ制御信号発生部７０３より燃料供給制御回路５にポンプ１０４の動作停止を指示し、燃料電池発電部１０１への燃料供給を一切停止する。そして、待機状態Ｇに遷移する。
【００６１】
待機状態Ｇでは、報知制御部７０４より電子機器本体３に対して報知信号を出力し、表示器３０１の表示を、例えば、１秒間点灯、９秒間消灯の点滅動作に変更する。また、制御部７によりＤＣ−ＤＣコンバータ２の動作を停止させ、補助電源４の充電を禁止する。この状態で、補助電源４による電子機器本体３などへの給電を継続する。その後、補助電源４の充電電荷が減少し、補助電源出力検出部８より検出される補助電源４の出力電圧が再充電可能なレベルまで低下すると、再び起動運転状態Ｃに戻り、上述した動作を再実行する。
【００６２】
一方、定常運転状態Ｅで異常を検出すると、異常停止処理状態Ｄに遷移する。この場合も定常運転状態Ｅでの異常は、温度センサ１０６による燃料電池発電部１０１の検出温度が所定値以上（過熱）の状態、ポンプ異常検出部１０４１よりポンプ１０４の動作異常にともない出力される異常検出信号、出力検出部６により検出される燃料電池本体１の出力電圧又は出力電流の異常値、補助電源出力検出部８により検出される補助電源４の出力電圧の異常値（例えば、ＬＩＢの場合、動作電圧で不安定とされている２．３〜３．３Ｖの電圧値）、或いは周囲温度の異常な高温状態又は低温状態（これら周囲温度の異常は電子機器本体３側に設けられる不図示の温度センサなどにより検出することができる。）などである。
【００６３】
異常停止処理状態Ｄでは、ポンプ制御信号発生部７０３より燃料供給制御回路５にポンプ１０４の動作停止を指示し、燃料電池発電部１０１への燃料供給を一切停止する。また、報知制御部７０４より電子機器本体３に対して異常報知信号を出力し、表示器（例えばＬＥＤ）３０１を、例えば、０．１秒間点灯、０．１秒間消灯の点滅動作を１０秒間繰り返し、こののち消灯し、ユーザに異常発生の旨を報知する。また、このときの異常発生の状況はログメモリ７０５に記憶する。この場合も、特に、燃料電池発電部１０１の過熱とポンプ１０４の動作異常については、重大な異常情報としてログメモリ７０５に記憶する。
【００６４】
そして、停止運転状態Ｆに遷移する。停止運転状態Ｆでは、燃料電池発電部１０１への燃料供給を停止したままで、報知制御部７０４より再度電子機器本体３に異常報知信号を出力し、表示器３０１を連続点灯させ、起動条件確認状態Ｂの前の状態に戻る。
【００６５】
なお、起動運転状態Ｃ又は定常運転状態Ｅにおいて、ユーザによる起動スイッチ９の長押しなどの操作、或いは通信回線を介して停止要求が入力されると、これら起動運転状態Ｃ及び定常運転状態Ｅは、直ちに停止運転状態Ｆに遷移し、その後、起動条件確認状態Ｂの前の状態に戻る。この場合、特に、定常運転状態Ｅから停止運転状態Ｆに遷移させる場合、ポンプ１０４の動作を停止して燃料電池発電部１０１への燃料供給を禁止しているが、ＤＣ／ＤＣコンバータ２を動作したままにして負荷側（電子機器本体３など）への給電を続け、出力検出部６で検出される燃料電池本体１の出力電圧又は出力電流や、温度センサ１０６で検出される燃料電池発電部１０１の温度が所定値を下回ったことを判断したところで起動条件確認状態Ｂの前の状態に戻るようにしてもよい。また、待機状態Ｇにおいて、異常発生、或いはユーザによる起動スイッチ９の長押し操作が行われると、待機状態Ｇを中止して直ちに起動条件確認状態Ｂの前の状態に戻る。
【００６６】
したがって、このようにすれば、燃料電池本体１に対する運転制御要求と、状態判定部７０２により得られる燃料電池本体１、補助電源４、ポンプ１０４の状態など、つまりシステムの内部状態により、燃料電池本体１の各運転制御の状態（停止状態Ａ、起動条件確認状態Ｂ、起動運転状態Ｃ、運転停止処理状態Ｄ及び定常運転状態Ｅ、停止運転状態Ｆ、待機状態Ｆ）を自動的に判断するとともに、これらの運転制御の状態に基づいて、燃料電池本体１の運転制御状態を遷移させるようにできるので、燃料電池本体１の起動から定常運転、さらに運転停止までの運転制御の状態遷移をスムーズに行うことができるとともに、システムの各運転制御を自律して行うことができる。
【００６７】
また、外部から燃料電池本体１の起動要求があった場合に、起動条件確認状態Ｂにおいて、出力検出部６、補助電源出力検出部８、温度センサ１０６、ポンプ状態検出部１０４１、さらに制御部７自身についても異常が判定（診断）された場合も、起動は行わず異常状態処理Ｄに遷移することにより、内部異常が存在したまま起動した結果、燃料電池発電部１０１の出力の急激な低下、発電の停止、さらに、ポンプ１０４の異常動作による燃料電池発電部１０１の異常な過熱状態などの発生を無くすことができ、安全で、且つ安定した運転制御を行うことができる。
【００６８】
さらに、起動運転状態Ｃ及び定常運転状態Ｅに遷移した場合も、これらの運転中において出力検出部６、補助電源出力検出部８、温度センサ１０６、ポンプ状態検出部１０４１のそれぞれの出力が監視され、燃料電池本体１の出力低下、温度、さらにポンプ１０４の動作に異常が見られたような場合、速やかに異常停止処理状態Ｄに遷移することにより、異常状態に対する適切な対応を取ることができる。また、異常停止処理状態Ｄでは、燃料電池発電部１０１への燃料の供給を禁止するとともに、ユーザに対して異常が発生した旨を通知し、更に燃料電池発電部１０１の過熱、ポンプ１０４の動作異常については、重大な異常情報としてログメモリ７０５に記憶するようにしているので、ユーザは、システムの異常を速やかに知ることができ、適切な対応を取ることができ、さらにログメモリ７０５に記憶された重大な異常情報により、その後の再起動を禁止することで、更なる重大な異常発生を未然に防止することもできる。この場合、出力検出部６、補助電源出力検出部８、温度センサ１０６、ポンプ状態検出部１０４１のそれぞれの出力は、予め設定された時間ごとに監視され燃料電池本体１の状態を確認しているので、これらの出力を連続して常時監視するのと比べ、システムの電力消費の低減を実現することもできる。
【００６９】
さらに、定常運転状態Ｅから停止運転状態Ｆに遷移した場合、ポンプ１０４の動作を停止して燃料電池発電部１０１への燃料供給を禁止するとともに、燃料電池本体１からの出力、燃料電池発電部１０１の温度がそれぞれ所定値を下回るまで、燃料電池本体１より負荷側に給電を続けるようにしたので、燃料電池発電部１０１での残留燃料によるクロスオーバによりカソードが異常に発熱し、燃料電池発電部１０１を破損するようなことも無くすことができる。
【００７０】
さらに、起動運転状態Ｃでは、燃料電池発電部１０１の出力電圧、出力電流及び温度の順の立ち上げ過程で、既に所定条件を満足する過程が存在すると、この過程を省略して定常運転状態Ｅまで遷移できるようにもしたので、例えば、前回の運転終了から比較的短い時間で再び起動運転を行うような場合に有効であり、燃料電池本体１の起動から定常運転までの所要時間を短縮することもできる。
【００７１】
本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。
【００７２】
さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。
【００７３】
さらに燃料電池発電部へ供給される液体燃料の気化成分においても、全て液体燃料の気化成分を供給してもよいが、一部が液体状態で供給される場合であっても本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成を示す図。
【図２】第１の実施の形態の燃料電池本体を詳細に説明するための断面図。
【図３】第１の実施の形態の燃料電池本体に用いられる燃料分配機構の斜視図。
【図４】第１の実施の形態の動作を説明するための状態遷移図。
【符号の説明】
【００７５】
１…燃料電池本体、１０１…燃料電池発電部
１０２…燃料収容部、１０３…流路
１０４…ポンプ、１０４１…ポンプ異常検出部、１０５…燃料分配機構
１０６…温度センサ、２…ＤＣ／ＤＣコンバータ、３…電子機器本体
４…補助電源、５…燃料供給制御回路、６…出力検出部、
７…制御部、７０１…状態監視部、７０２…状態判定部、
７０３…ポンプ制御信号発生部、７０４…報知制御部、７０５…ログメモリ、
８…補助電源出力検出部、
１１…アノード触媒層、１２…アノードガス拡散層
１３…アノード、１４…カソード触媒層
１５…カソードガス拡散層、１６…カソード
１７…電解質膜、１８…カバープレート
１９…Ｏリング、２１…燃料注入口
２２…燃料排出口、２３…燃料分配板
２４…空隙部
【図１】
2010165601.tif 000003
【図２】
2010165601.tif 000004
【図３】
2010165601.tif 000005
【図４】
2010165601.tif 000006